KR20140105885A - 양방향 송수신 소자 - Google Patents

양방향 송수신 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 송수신소자에 관한 것으로, 표면방출레이저와 광검출기를 집적하여 송신 및 수신 신호의 전송이 가능한 소자로, 표면방출레이저와 광검출기를 수직으로 집적하여 하나의 광섬유에 송신과 수신 신호를 동시에 보내고 받을 수 있도록 한 것인바, 상부에 송신을 위한 표면방출레이저와 하부에 수신을 위한 광검출기를 집적한 양방향 송수신소자는, 상부의 송신부인 표면방출레이저에서 방출하는 파장이 짧은 빛은 상부 방향으로 방출하여 송신 신호를 보내고, 하부의 수신부인 광검출기는 입사하는 파장이 긴 빛이 표면방출레이저를 투과하여 하부 방향으로 내려오는 수신 신호를 받도록 구성되어 있으며, 특히 수신 신호가 송신부를 투과하기 위하여 송신부는 수신 파장에 대하여 흡수가 없는 에너지갭을 갖도록 하고, 수신 신호 파장에 대하여 공기와의 계면에 반사가 없도록 무반사층과, 송신부의 방출 파장이 수신부에 입사하는 것을 방지하기 위한 흡수층으로 구성되고, 수신부는 수신 신호의 파장을 흡수할 수 있는 에너지갭을 갖으며, 계면에서의 수신 신호 반사가 없도록 무반사층으로 구성되어, 송신부와 수신부가 광 방출 및 흡수창이 일직선상에 놓이도록 접합되어 집적된다.

Description

양방향 송수신 소자 {Bidirectional Transceiver device}
본 발명은 양방향 송수신 소자에 관한 것으로, 표면방출레이저와 광검출기를 집적(集積)하여 송신 및 수신 신호의 전송이 가능한 소자로, 표면방출레이저와 광검출기를 수직으로 집적하여 하나의 광섬유에 송신과 수신 신호를 동시에 보내고 받을 수 있도록 하는 소자이다.
양방향 광송수신 모듈은 단일 광섬유로 송신 신호와 수신 신호를 동시에 주고 받기 위한 모듈로, 대용량의 신호를 광섬유의 사용을 반으로 줄여서 전송할 수 있어서 광통신 및 데이터 통신에 많이 활용되고 있다. 특히, 대용량의 전송에 있어서 집적도를 높이기 위하여 송수신 기능이 집적된 양방향 송수신 모듈이 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최근에 와서는 광연결(optical interconnection) 및 데이터 통신에 있어서 어레이나, 다채널 모듈의 활용이 증가함에 따라서 콤팩트(compact)하여 집적도가 높고, 광섬유 사용을 줄인 양방향 송수신 모듈의 활용성이 증가하고 있다.
종래의 양방향 송수신 모듈은 주로 필터를 사용하여 송신 신호와 수신 신호를 분리하여 송신 신호는 송신 소자에서 나온 빛을 필터를 통하여 광섬유에 송신하고, 수신 신호는 광섬유에서 나온 빛을 필터에서 경로를 바꾸어 주어 수신 소자로 빛을 넣어주어 검출하는 방법이다.
TO(transistor outline) 형태의 송신 소자와 수신 소자를 집적하여 양방향 송수신 모듈을 제작하는 방법이 미국특허 제6,493,121호에 알려져 있다. 이것은 TO 형태의 송신 소자와 TO 형태의 수신 소자를 서로 수직으로 정렬하고 가운데에 필터를 45°각도 정도로 삽입하여 송신 신호는 TO형 송신 소자에서 방출한 빛이 필터를 통하여 광섬유에 입사하도록 하고, 광섬유에서 입사된 빛은 필터에서 반사하여 수직 방향의 TO형 수신 소자에서 입사하도록 한 구조이다. 이와 같이 제작된 양방향 광모듈은 양 방향의 빛을 필터를 통하여 분배하므로 송신 소자와 수신 소자가 서로 분리되어 있어 소자 간의 크로스톡(crosstalk)을 최소화하고 각각에 대하여 광섬유와의 커플링을 최적화할 수 있는 장점이 있다. 그러나 제작시 송신 소자와 수신 소자 각각에 대하여 독립적인 능동 정렬을 하여야 하므로 제작 비용이 비싸지고, 각각의 TO형 송신 및 수신 소자를 사용하므로 크기가 커지는 단점이 있다.
파장 다중의 양방향 송수신 모듈의 구조로는 미국특허 제8,303,195호에 알려져 있는데, 이는 송신 소자와 수신 소자를 같은 면 위에 놓고, 파장 다중 필터를 사용하여 송신 소자의 송신 신호는 필터를 통하여 광섬유에 입사하고, 광섬유에서 나온 수신 신호는 필터에서의 최소 2회 이상의 반사와 1번 이상의 투과를 통하여 경로를 수신 소자에 도달하도록 하는 방법이다. 이와 같은 방법은 TO형태의 독립된 송신 소자 및 수신 소자를 사용하지 않고 같은 면 위에 송신 및 수신 소자의 정렬이 가능하고, 필터를 통하여 송신 신호와 수신 신호의 경로를 분리하므로 상대적으로 콤팩트한 크기의 제작이 가능한 장점이 있다. 그러나 수신 신호의 경로를 바꾸기 위하여 필터 내에서 최소 2번 이상의 반사와 1번 이상의 투과가 되므로 미세한 정렬 오차에서도 수신 신호와 송신 신호가 각각의 광섬유와 수신 소자 및 송신 소자의 결합 효율이 급격히 나빠지는 단점이 있다. 따라서 미세 정렬을 위한 비용 증가의 단점도 보이고 있다.
그 외에도 송신 및 수신 신호의 경로 변경을 위하여 일정한 경사를 통한 파장 다중 필터를 사용하는 방법(미국특허 제7,616,845호) 등이 제안되고 있으나 정렬의 어려움 등의 유사한 단점을 보이고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 콤팩트한 크기로 한 번의 능동 정렬로 제작이 가능하여 저가의 양방향 광송수신 모듈의 제작이 가능한 양방향 송수신 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 상부에 송신을 위한 표면방출레이저와 하부에 수신을 위한 광검출기를 수직으로 집적한 양방향 송수신소자는, 상부의 송신부인 표면방출레이저에서 방출하는 파장이 짧은 빛은 상부 방향으로 방출하여 송신 신호를 보내고, 하부의 수신부인 광검출기는 입사하는 파장이 긴 빛을 표면방출레이저를 투과하여 하부 방향으로 내려오는 수신 신호를 받도록 구성되어 한 번의 능동 정렬로 광섬유와의 양방향 송신 및 수신 신호의 결합이 가능하여 콤팩트하고 저가의 광모듈을 제공한다.
수직으로 집적하여 이상과 같은 기능을 제공하기 위하여 수신 신호가 송신부를 투과하기 위하여 송신부는 수신 파장에 대하여 흡수가 없는 에너지갭을 갖도록 하고, 수신 신호 파장에 대하여 공기와의 계면에 반사가 없도록 무반사층과, 송신부의 방출 파장이 수신부에 입사하는 것을 방지하기 위한 흡수층으로 구성되고, 수신부는 수신 신호의 파장을 흡수할 수 있는 에너지갭을 가지며, 계면에서의 수신 신호 반사가 없도록 무반사층으로 구성되어, 송신부와 수신부가 광 방출 및 흡수창이 일직선상에 놓이도록 접합되어 집적되는 것을 특징으로 하여 송수신 신호를 동시에 보내고 받을 수 있는 양방향 송수신 소자에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 의한 양방향 송수신 소자는, 송신 신호의 파장이 수신 신호의 파장에 비하여 짧은 경우 상부에 표면방출 레이저로 이루어진 송신부와 하부에 광검출기로 이루어진 수신부를 수직으로 집적하고; 수직으로 집적시 상부의 표면방출 레이저의 빛이 방출되는 부분과 하부의 광검출기의 흡수 영역을 일직선에 놓이도록 한다. 집적 방법으로는 상부 표면방출 레이저의 아래층과 하부 광검출기의 상부에 금속 패드를 형성하고 플립칩 방법과 같은 금속 범프를 사용하여 본딩시 자동 정렬이 되도록 구성된다.
본 발명은 또, 송신 신호의 파장이 수신 신호의 파장에 비하여 긴 경우에는 상부에 광검출기로 이루어진 수신부와 하부에 표면방출 레이저로 이루어진 송신부를 수직으로 집적하고; 수직으로 집적시 상부의 광검출기의 흡수 영역과 하부의 표면방출 레이저의 빛이 방출하는 부분을 일직선상에 놓이도록 한다. 집적 방법으로는 상부 광출기의 아래층과 하부 표면방출 레이저의 상부에 금속 패드를 형성하고 플립칩 방법과 같은 금속 범프를 사용하여 본딩시 자동 정렬이 되도록 구성된다.
본 발명에서는 송신부와 수신부를 수직으로 정렬하여 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 짧은 경우 상부의 송신부인 표면방출 레이저에서 방출된 송신 신호는 수직으로 방출되고, 수직으로 입사된 수신 신호는 상부의 송신부를 통과하여 하부의 수신부인 광검출기에 흡수되어 수신 신호를 받게 된다. 송신 신호와 수신 신호가 같은 축 상에 있으므로 광섬유 등에 광 결합시 한 번의 능동 정렬로 송신 및 수신 신호의 결합이 동시에 이루어져 콤팩트한 구조로 저가의 양방향의 송수신 모듈의 제작이 가능한 특징이 있다.
또한, 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 긴 경우 상부의 수신부인 광검출기에서 수신된 수신 신호를 흡수하게 되고, 하부의 송신부인 표면방출 레이저에서 방출된 빛은 상부의 수신부를 통과하여 송신 신호를 수직으로 방출하게 된다. 수신 신호와 송신 신호가 같은 축 상에 있으므로 광섬유 등에 광 결합시 한 번의 능동 정렬로 수신 및 송신 신호의 결합이 동시에 이루어져 콤팩트한 구조로 저가의 양방향의 송수신 모듈의 제작이 가능한 특징이 있다.
본 발명의 양방향 송수신 소자는 송신부의 빛이 방출되는 영역과 수신부의 광흡수 영역이 동일한 축 상에 놓이게 되어 한 번의 정렬로 송신 및 수신 신호의 광섬유 결합이 가능하여 콤팩트한 구조로 저가의 양방향 송수신 모듈을 제공하여 대용량 양방향 송수신 모듈로 광연결(parallel optical interconnecton) 및 능동 광케이블(active optical cable)용 광원 소자로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 짧은 파장인 경우의 양방향 송수신 소자를 도시한 측 단면도,
도 2는 본 발명의 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 긴 파장인 경우의 양방향 송수신 소자를 도시한 측 단면도,
도 3은 본 발명의 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 짧은 파장인 경우의 양방향 송수신 소자의 실시 예를 도시한 측 단면도,
도 4는 본 발명의 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 긴 파장인 경우의 양방향 송수신 소자의 실시 예를 도시한 측 단면도,
도 5는 본 발명의 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 짧은 파장인 경우의 양방향 송수신 소자를 이용한 광 결합 구조의 실시 예를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 긴 파장인 경우의 양방향 송수신 소자를 이용한 광 결합 구조의 실시 예를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 짧은 파장인 경우의 양방향 송수신 소자를 도시한 측단면도로, 부호 10은 송신부이다. 이의 구성에 대하여 설명하면 부호 11은 표면방출 레이저, 12는 송신부의 상면에 형성된 송신부 상부 무반사층, 13은 송신부의 저면에 형성된 송신부 하부 무반사층, 14는 송신부 상부 무반사층(12)을 일부 제거하고 송신부의 상부에 형성된 송신부 제1전극, 15는 송신부 하부 무반사층(13)을 일부 제거하고 송신부의 하부에 형성된 송신부 제2전극으로 이루어져 있다.
부호 20은 수신부이다. 이의 구성에 대하여 설명하면, 부호 21은 광검출기, 22는 수신부의 상면에 형성된 수신부 무반사층, 23은 수신부 무반사층(22) 일부를 제거하고 형성된 수신부의 제1전극, 24는 수신부의 하부에 형성된 수신부 제2전극, 25는 송신부 제2전극(15)과의 접합을 위한 수신부 무반사층(22) 상부에 형성된 접합 전극으로 이루어져 있으며, 부호 26은 송신부와 수신부의 접합을 위한 접합 범프, 16은 송신부인 표면방출 레이저에서 빔이 방출하는 방향 및 파장 λT, 17은 표면방출 레이저의 빔이 방출하는 영역, 27은 수신부인 광검출기에서 빔을 받는 방향 및 파장 λR, 28은 광검출기에서 빔이 흡수되는 영역을 나타낸다.
본 실시 예는 송신부(10)에서 방출하는 빔의 파장 λT은 수신부(20)에서 수광하는 빔의 파장 λR 보다 짧은 파장을 갖도록 한 양방향 송수신 소자이다.
송신부 무반사층(12,13)은 송신부의 계면에서 수신 빔의 파장 λR에 대하여 반사를 방지하기 위한 층이고, 수신부 무반사층(22)은 수신부의 계면에서 수신 빔의 파장 λR에 대하여 반사를 방지하기 위한 층이다. 송신부의 빔이 방출하는 영역인 16과 수신부의 빔을 수광하는 영역인 27이 같은 축 상에 위치하여 한 번의 정렬로 송신 및 수신의 양방향 신호의 정렬이 이루어진다. 송신부(10)의 표면방출 레이저는 수신 파장 λR보다 높은 에너지 갭으로 구성되어 수신 파장에 의한 흡수가 일어나지 않도록 구성되어 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 긴 파장인 경우의 양방향 송수신 소자를 도시한 측 단면도로, 부호 30은 송신부이다. 이의 구성에 대하여 설명하면, 부호 31은 표면방출 레이저, 32는 송신부의 상부에 형성된 송신부 제1전극, 33은 송신부의 하부에 형성된 송신부 제2전극, 34는 수신부(40)와의 접합을 위한 접합 전극으로 이루어져 있으며, 부호 40은 수신부이다. 수신부(40)의 구성에 대하여 설명하면, 부호 41은 광검출기, 42는 수신부의 상면에 형성된 수신부 상부 무반사층, 43은 수신부의 저면에 형성된 수신부 하부 무반사층, 44는 수신부 상부 무반사층(42)의 일부를 제거하고 형성된 수신부 제1전극, 45는 수신부의 하부에 수신부 하부 무반사층(43) 일부를 제거하고 형성된 수신부 제2전극으로 이루어져 있고, 부호 35는 송신부(30)의 송신부 접합 전극(34)과 수신부(40)의 수신부 제2전극(45)간의 접합을 위한 접합 범프, 36은 송신부인 표면방출 레이저에서 빔이 방출하는 방향 및 파장 λT, 37은 표면방출 레이저의 빔이 방출하는 영역, 46은 수신부인 광검출기에서 빔을 받는 방향 및 파장 λR, 47은 광검출기에서 빔이 흡수되는 영역을 나타낸다.
본 실시 예는 송신부(30)에서 방출하는 빔의 파장 λT이 수신부(40)에서 수광하는 빔의 파장 λR 보다 긴 파장을 갖도록 한 양방향 송수신 소자이다.
부호 42의 수신부 상부 무반사층은 수신부의 계면에서 수신 빔의 파장 λR과 송신 빔의 파장 λT에 대하여 반사를 방지하기 위한 층이고, 43의 수신부 하부 무반사층은 수신부의 계면에서 송신 빔의 파장 λT에 대하여 반사를 방지하기 위한 층이다. 송신부의 빔이 방출하는 영역인 36과 수신부의 빔을 수광하는 영역인 47이 같은 축 상에 위치하여 한 번의 정렬로 송신 및 수신의 양방향 신호의 정렬이 이루어진다. 수신부(30)의 광검출기(41)는 송신 파장 λT보다 높은 에너지 갭으로 구성되어 송신 파장에 의한 흡수가 일어나지 않도록 구성되어 있다.
도 3은 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 짧은 파장인 경우의 양방향 송수신 소자의 실시 예를 도시한 측 단면도이다. 본 실시 예의 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 짧은 파장인 경우의 양방향 송수신 소자의 바람직한 실시 예를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
송신부(160)는 (001)의 결정방향을 갖는 n형 도핑된 송신부 반도체 기판(111) 위에 송신부(160)에서 방출한 빔을 흡수하기 위한 n형의 반도체로 이루어진 흡수층(112)이 형성되어 있고, 그 위의 하부거울층(113)은 n형 도핑된 반도체 DBR층으로 형성되어 있고, 그 위에 레이저 이득을 위한 다중양자우물로 구성된 활성층(114)이 형성되어 있고, 그 위에 전류 제한을 위한 전류제한층(115)이 형성되어 있고, 그 위의 상부거울층(116)은 p형 도핑된 반도체 DBR층으로 형성되어 있고, 그 위에 계면에서의 반사를 막기 위한 송신부 상부 무반사층(117)이 형성되어 있다.
그리고 상기 전류제한층(115)의 일부에 전류흐름을 막기 위한 절연층(118)을 형성하여 전류가 흐르는 영역을 제한하고, 송신부 상부 무반사층(117)을 일부 제거하고 상부거울층(116)의 상부에 Ti/Pt/Au 등의 금속으로 송신부 제1전극(119)을 형성하고, 송신부 반도체 기판(111)의 아래에 계면에서의 반사를 막기 위한 송신부 하부 무반사층(120)이 형성되어 있고, 송신부 하부 무반사층(120)을 일부 제거하고 송신부 반도체 기판(111)의 하부에 AuGe/Ni/Au, Cr/Au 등의 금속으로 된 송신부 제2전극(121)이 형성되어 있다.
수신부(170)는 (001)의 결정방향을 갖는 n형 도핑된 수신부 반도체 기판(131) 위에 광흡수를 위한 활성층(132)이 형성되어 있고, 그 위에 상부 클래드층(133)이 형성되어 있고, 그 위에 계면에서의 반사를 막기 위한 수신부 무반사층(134)이 형성되어 있다.
그리고 상기 수신부 무반사층(134)을 일부 제거하고 상부 클래드층(133)의 상부에 Ti/Pt/Au 등의 금속으로 수신부 제1전극(135)을 형성하고, 수신부 반도체 기판(131)의 아래에 AuGe/Ni/Au, Cr/Au 등의 금속으로 된 수신부 제2전극(136)을 형성한다.
그리고 상기 수신부 무반사층(134)의 위에 Ti/Pt/Au 등의 금속으로 송신부와의 접합을 위한 접합 전극(137)을 형성하고, 송신부의 제2전극(121)과 수신부의 접합 전극(137)을 접합하기 위하여 접합 범프(150)를 형성하고, 송신부(160)의 빔 방출 영역과 수신부(170)의 광흡수 영역이 일직선상에 놓이도록 접합한다.
본 실시 예는 송신부(160)에서 방출하는 빔의 파장 λT은 수신부(170)에서 수광하는 빔의 파장 λR 보다 짧은 파장을 갖도록 한 양방향 송수신 소자이다.
송신부 무반사층(117,120)은 송신부의 계면에서 수신 빔의 파장 λR에 대하여 반사를 방지하기 위하여 SiOx나 TiOx, SiNx 등의 유전체를 증착하여 형성하고, 수신부 무반사층(134)도 수신 빔의 파장 λR에 대하여 반사를 방지하기 위하여 SiOx나 TiOx, SiNx 등의 유전체를 증착하여 형성하며, 송신부의 빔이 방출하는 영역과 수신부의 빔을 수광하는 영역이 같은 축 상에 위치하도록 송신부의 제2전극(121)과 수신부의 접합 전극(137)이 접합 범프(150)로 접합시 자동으로 정렬이 되도록 송신부의 제2전극(121)과 수신부의 접합 전극(137)을 형성한다, 송신부(160)의 표면방출 레이저는 수신 파장 λR보다 높은 에너지 갭으로 구성되어 흡수 손실이 없도록 하고, 하부거울층(113)과 상부거울층(116) 및 송신부(160) 내부에서 수신 파장 λR에서 반사가 최소화되도록 구성하며, 송신부의 제1전극(119)은 수신 빔을 막지 않도록 수신 빔의 직경에 비하여 충분히 큰 직경을 갖도록 형성한다.
여기서 송신부(160)의 표면방출 레이저의 하부거울층(113)을 구성하는 반도체 DBR층은 n형 도핑된 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데, 한 주기의 두께가 광학길이(물질의 두께×발진파장에서의 굴절률)로 송신 파장λT의 반이 되도록 구성한다. 상부거울층(116)은 p형 도핑된 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데, 한 주기의 두께가 광학길이로 송신 파장λT의 반이 되도록 구성하고 하부거울층(113)에 비하여 반사율이 낮도록 구성한다.
그리고 활성층(114)은 전체 두께가 광학 길이로 발진 파장 반의 정수 배가 되도록 구성한다. 흡수층(112)은 송신부에서 방출하는 미세한 빛을 흡수하기 위하여 송신 파장λT에 비하여 낮은 에너지갭을 갖고, 수신 파장λR에 비하여 높은 에너지갭을 갖는 n형의 도핑된 반도체로 구성한다.
도 4는 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 긴 파장인 경우의 양방향 송수신 소자의 실시 예를 도시한 측 단면도이다. 본 실시 예의 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 긴 파장인 경우의 양방향 송수신 소자의 바람직한 실시 예를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
송신부(260)는 (001)의 결정방향을 갖는 n형 도핑된 송신부 반도체 기판(211) 위에 하부거울층(212)이 n형 도핑된 반도체 DBR층으로 형성되어 있고, 그 위에 레이저 이득을 위한 다중양자우물로 구성된 활성층(213)이 형성되어 있고, 그 위에 전류 제한을 위한 전류제한층(214)이 형성되어 있고, 그 위의 상부거울층(215)은 p형 도핑된 반도체 DBR층으로 형성되어 있고, 그 위에 절연을 위한 절연막층(216)이 형성되어 있다.
상기 전류제한층(214)의 일부에 전류흐름을 막기 위한 절연층(217)을 형성하여 전류가 흐르는 영역을 제한하고, 상기 절연막층(216)을 일부 제거하고 상부거울층(215)의 상부에 Ti/Pt/Au 등의 금속으로 송신부 제1전극(218)을 형성하고, 절연막층(216)의 위에 Ti/Pt/Au 등의 금속으로 수신부(270)와의 접합을 위한 접합 전극(219)을 형성하고, 반도체 기판(211)의 아래에는 AuGe/Ni/Au, Cr/Au 등의 금속으로 된 송신부 제2전극(220)을 형성한다.
수신부(270)는 (001)의 결정방향을 갖는 n형 도핑된 수신부 반도체 기판(231) 위에 광흡수를 위한 활성층(232)이 형성되어 있고, 그 위에 상부 클래드층(233)이 형성되어 있고, 그 위에 계면에서의 반사를 막기 위한 수신부 상부 무반사층(234)이 형성되어 있고, 수신부 반도체 기판(231)의 아래에 계면에서의 반사를 막기 위한 수신부 하부 무반사층(235)이 형성되어 있고, 수신부 상부 무반사층(234)을 일부 제거하고 상부 클래드층(233)의 상부에 Ti/Pt/Au 등의 금속으로 수신부 제1전극(236)을 형성하고, 수신부 하부 무반사층(235)을 일부 제거하고 반도체 기판(231)의 아래에 AuGe/Ni/Au, Cr/Au 등의 금속으로 된 수신부 제2전극(237)을 형성한다.
또, 송신부의 접합 전극(219)과 수신부의 제2전극(237)을 접합하기 위하여 접합 범프(250)를 형성하고, 송신부(260)의 빔 방출 영역과 수신부(270)의 광흡수 영역이 일직선상에 놓이도록 접합한다.
본 실시 예는 송신부에서 방출하는 빔의 파장 λT은 수신부에서 수광하는 빔의 파장 λR 보다 긴 파장을 갖도록 한 양방향 송수신 소자이다.
수신부의 상부 무반사층(234)은 수신부의 계면에서 송신 빔의 파장 λT와 수신 빔의 파장 λR 모두에 대하여 반사를 방지하기 위하여 SiOx나 TiOx, SiNx 등의 유전체를 증착하여 형성하고, 수신부의 하부 무반사층(235)은 수신부의 계면에서 송신 빔의 파장 λT에 대하여 반사를 방지하기 위하여 SiOx나 TiOx, SiNx 등의 유전체를 증착하여 형성하며, 송신부의 빔이 방출하는 영역과 수신부의 빔을 수광하는 영역이 같은 축 상에 위치하도록 수신부의 제2전극(237)과 송신부의 접합 전극(217)을 접합 범프(250)로 접합시 자동으로 정렬이 되도록 수신부의 제2전극(237)과 송신부의 접합 전극(216)을 형성한다, 수신부(270)의 광검출기는 송신 파장 λT보다 높은 에너지 갭으로 구성되어 흡수 손실이 없도록 하고, 수신부(270) 내부에서 송신 파장 λT에서 반사가 되지 않도록 구성하며, 수신부의 제1전극(236)은 송신 빔을 막지 않도록 송신 빔의 직경에 비하여 충분히 큰 직경을 갖도록 형성한다.
여기서 송신부(260)의 표면방출 레이저의 하부거울층(212)을 구성하는 반도체 DBR층은 n형 도핑된 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데, 한 주기의 두께가 광학길이(물질의 두께×발진파장에서의 굴절률)로 송신 파장λT의 반이 되도록 구성한다. 상부거울층(215)은 p형 도핑된 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데, 한 주기의 두께가 광학길이로 송신 파장λT의 반이 되도록 구성하고 하부거울층(212)에 비하여 반사율이 낮도록 구성한다.
그리고 활성층(213)은 전체 두께가 광학길이로 발진 파장 반의 정수 배가 되도록 구성한다.
본 발명은 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 송신 파장λT이 수신파장λR에 비하여 짧은 경우와 긴 경우에 있어서 한 번의 정렬로 광섬유와의 정렬이 가능하고, 콤팩트한 크기를 갖도록 저가의 대용량 양방향 송수신 모듈을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 송신 파장이 수신 파장에 비하여 짧은 경우의 양방향 송수신 소자를 이용한 양방향 송수신 모듈 제작의 실시 예를 보여준다. 양방향 송수신 모듈은 송신부(310), 수신부(320), 광결합 렌즈(321), 광섬유(322)로 구성되어 있으며, 부호 323, 324는 각각 송신 빔과 수신 빔을 의미한다.
도 5에 도시된 바와 같이 하나의 광결합 렌즈(321)를 이용하여 한 번의 정렬을 통하여 광섬유와 결합된 양방향 송수신 모듈의 제작이 가능하여 제작 공정이 간단하며, 수율이 높고, 콤팩트한 모듈을 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 송신 파장이 수신 파장에 비하여 긴 경우의 양방향 송수신 소자를 이용한 양방향 송수신 모듈 제작의 실시 예를 보여준다. 양방향 송수신 모듈은 송신부(330), 수신부(340), 광결합 렌즈(341), 광섬유(342)로 구성되어 있으며, 부호 343, 344는 각각 송신 빔과 수신 빔을 의미한다.
도 6에 도시된 바와 같이 하나의 광결합 렌즈(341)를 이용하여 한 번의 정렬을 통하여 광섬유와 결합된 양방향 송수신 모듈의 제작이 가능하여 제작 공정이 간단하며, 수율이 높고, 콤팩트한 모듈을 제공한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 송신부 11 : 표면방출 레이저
12 : 송신부 상부 무반사층 13 : 송신부 하부 무반사층
14 : 송신부 제1전극 15 : 송신부 제2전극
16 : 송신부의 빔이 방출하는 방향과 파장 λT
17 : 송신부의 빔의 방출 영역
20 : 수신부 21 : 광검출기
22 : 수신부 무반사층 23 : 수신부 제1전극
24 : 수신부 제2전극 25 : 접합 전극
26 : 접합범프 27 : 수신부의 빔을 받는 방향과 파장 λR
28 : 수신부의 빔의 흡수 영역
30 : 송신부 31 : 표면방출 레이저
32 : 송신부 제1전극 33 : 송신부 제2전극
34 : 접합 전극 35 : 접합 범프
36 : 송신부의 빔이 방출하는 방향과 파장 λT
37 : 송신부의 빔의 방출 영역
40 : 수신부 41 : 광검출기
42 : 수신부 상부 무반사층 43 : 수신부 하부 무반사층
44 : 수신부 제1전극 45 : 수신부 제2전극
46 : 수신부의 빔을 받는 방향과 파장 λR
47 : 수신부의 빔의 흡수 영역
160 : 송신부 111 : 송신부 반도체 기판
112 : 흡수층 113 : 하부거울층
114 : 활성층 115 : 전류제한층
116 : 상부거울층 117 : 송신부 상부 무반사층
118 : 절연층 119 : 송신부 제1전극
120 : 송신부 하부 무반사층 121 : 송신부 제2전극
170 : 수신부 131 : 수신부 반도체 기판
132 : 활성층 133 : 상부 클래드층
134 : 수신부 무반사층 135 : 수신부 제1전극
136 : 수신부 제2전극 137 : 접합전극
150 : 접합범프 260 : 송신부
211 : 송신부 반도체 기판 212 : 하부거울층
213 : 활성층 214 : 전류제한층
215 : 상부거울층 216 : 절연막층
217 : 절연층 218 : 송신부 제1전극
219 : 접합 전극 220 : 송신부 제2전극
270 : 수신부 231 : 수신부 반도체 기판
232 : 활성층 233 : 상부 클래드층
234 : 수신부 상부 무반사층 235 : 수신부 하부무반사층
236 : 수신부 제1전극 237 : 수신부 제2전극
250 : 접합 범프 310 : 송신부
320 : 수신부 321 : 광결합 렌즈
322 : 광섬유 323 : 송신 빔
324 : 수신 빔 330 : 송신부
340 : 수신부 341 : 광결합 렌즈
342 : 광섬유 343 : 송신 빔
344 : 수신 빔

Claims (15)

  1. 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 짧은 파장인 경우의 양방향 송수신 소자로,
    표면방출 레이저; 상기 표면방출 레이저 상에 형성된 송신부 상부 무반사층; 상기의 송신부 상부 무반사층을 일부 제거하고 표면방출 레이저의 상부에 형성된 송신부 제1전극; 상기의 표면방출 레이저 하부에 형성된 송신부 하부 무반사층; 상기의 송신부 하부 무반사층을 일부 제거하고 상기의 표면방출 레이저 하부에 형성된 송신부 제2전극; 을 포함하는 송신부와,
    광검출기; 상기의 광검출기의 위 면에 형성된 수신부 무반사층; 상기의 수신부 무반사층 일부를 제거하고 광검출기의 상부에 형성된 수신부 제1전극; 상기의 광검출기 하부에 형성된 수신부 제2전극; 상기의 수신부 무반사층의 상부에 형성된 접합 전극; 을 포함하는 수신부와,
    상기 수신부를 하부에 두고 송신부를 상부에 두어 상기 송신부 제2전극과 상기 접합 전극을 접합한 접합 범프; 를 포함하여 이루어지며,
    상기 표면방출 레이저는 수신 파장보다 높은 에너지 갭으로 구성되고; 상기 송신부의 빔이 방출하는 영역과 수신부의 빔을 수광하는 영역이 같은 축 상에 위치하여 한 번의 정렬로 송신 및 수신의 양방향 신호의 정렬을 하는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면방출 레이저 상에 형성된 송신부 상부 무반사층과 표면방출 레이저 하부에 형성된 송신부 하부 무반사층 및 상기의 광검출기의 상면에 형성된 수신부 무반사층은 수신 신호의 파장에 대하여 반사를 방지하는 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  3. 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 긴 파장인 경우의 양방향 송수신 소자로,
    표면방출 레이저; 상기 표면방출 레이저 상에 형성된 송신부 제1전극; 상기 표면방출 레이저 상에 형성된 접합 전극; 상기 표면방출 레이저 하부에 형성된 송신부 제2전극; 을 포함하는 송신부와,
    광검출기; 상기 광검출기의 상면에 형성된 수신부 상부 무반사층; 상기 수신부 상부 무반사층 일부를 제거하고 형성된 수신부 제1전극; 상기 광검출기 하부에 형성된 수신부 하부 무반사층; 상기 광검출기 하부에 형성된 수신부 하부 무반사층의 일부를 제거하고 광검출기의 하부에 형성된 수신부 제2전극; 을 포함하는 수신부와,
    상기 송신부를 하부에 두고 수신부를 상부에 두어 상기의 수신부 제2전극과 상기의 접합 전극을 접합한 접합 범프; 를 포함하여 이루어지며,
    상기 광검출기는 송신 파장보다 높은 에너지 갭으로 구성되고; 상기 송신부의 빔이 방출하는 영역과 수신부의 빔을 수광하는 영역이 같은 축 상에 위치하여 한 번의 정렬로 송신 및 수신의 양방향 신호의 정렬을 하는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 광검출기의 상면에 형성된 수신부 상부 무반사층은 수신 파장과 송신 파장에 대하여 반사를 방지하는 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 광검출기 하부에 형성된 수신부 하부 무반사층은 송신 파장에 대하여 반사를 방지하는 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  6. 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 짧은 파장인 경우의 양방향 송수신 소자로,
    (001)의 결정방향을 갖는 n형 도핑된 송신부 반도체 기판; 상기 반도체 기판상에 형성된 n형의 반도체로 이루어진 흡수층; 상기 흡수층 상에 n형 도핑된 반도체 DBR층으로 이루어진 하부거울층; 상기 하부거울층 상에 다중양자우물로 구성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 전류제한층; 상기 전류제한층 상에 p형 도핑된 반도체 DBR층으로 이루어진 상부거울층; 상기 상부거울층 상에 형성되는 송신부 상부 무반사층; 상기 송신부 상부 무반사층을 일부 제거하고 상기 상부거울층 상에 형성된 송신부 제1전극; 상기 전류제한층의 일부에 형성된 절연층; 상기 송신부 반도체 기판의 아래에 형성된 송신부 하부 무반사층; 상기 송신부 하부 무반사층을 일부 제거하고 상기 송신부 반도체 기판 아래에 형성된 송신부 제2전극; 을 포함하는 송신부와,
    (001)의 결정방향을 갖는 n형 도핑된 수신부 반도체 기판; 상기 반도체 기판상에 형성되는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 상부클래드층; 상기 상부클래드층 상에 형성되는 수신부 무반사층; 상기 수신부 무반사층의 일부를 제거하고 상부클래드층 상에 형성된 수신부 제1전극; 상기 수신부 무반사층 상에 형성된 접합 전극; 상기 수신부 반도체 기판의 아래에 형성된 수신부 제2전극; 을 포함하는 수신부와,
    상기 수신부를 하부에 두고 송신부를 상부에 두어 상기 송신부 제2전극과 상기 접합 전극을 접합한 접합 범프; 를 포함하여 이루어지며,
    상기 송신부는 수신 파장보다 높은 에너지 갭으로 구성되고; 상기 송신부의 빔이 방출하는 영역과 수신부의 빔을 수광하는 영역이 같은 축 상에 위치하여 한 번의 정렬로 송신 및 수신의 양방향 신호의 정렬을 하는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 상부거울층 상에 형성된 송신부 상부 무반사층과 상기 송신부 반도체 기판의 아래에 형성된 송신부 하부 무반사층 및 상기 상부클래드층 상의 수신부 무반사층은 SiOx나 TiOx, SiNx를 포함하는 유전체를 증착하여 형성하고 수신 신호의 파장에 대하여 반사를 방지하는 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 상부거울층과 하부거울층은 수신 파장에서 반사를 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 송신부 제2전극과 수신부 접합 전극은 접합 범프에 의해 접합시 송신부의 빔 방출 영역과 수신부의 광 흡수 영역이 동일한 축으로 자동으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 흡수층은 송신 파장λT에 비하여 낮은 에너지갭을 갖고, 수신 파장λR에 비하여 높은 에너지갭을 갖는 n형의 도핑된 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  11. 송신 신호의 파장이 수신 신호에 비하여 긴 파장인 경우의 양방향 송수신 소자로,
    (001)의 결정방향을 갖는 n형 도핑된 송신부 반도체 기판; 상기 반도체 기판상에 n형 도핑된 반도체 DBR층으로 이루어진 하부거울층; 상기 하부거울층 상에 다중양자우물로 구성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 전류제한층; 상기 전류제한층 상에 p형 도핑된 반도체 DBR층으로 이루어진 상부거울층; 상기 상부거울층 상에 형성되는 절연막층; 상기 절연막층을 일부 제거하고 상기 상부거울층 상에 형성되는 송신부 제1전극; 상기 전류제한층의 일부에 형성되는 절연층; 상기 절연막층 상에 형성된 접합 전극; 상기 반도체 기판 아래에 형성된 송신부 제2전극; 을 포함하는 송신부와,
    (001)의 결정방향을 갖는 n형 도핑된 수신부 반도체 기판; 상기 반도체 기판상의 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 상부클래드층; 상기 상부클래드층 상에 형성되는 수신부 상부 무반사층; 상기 수신부 상부 무반사층의 일부를 제거하고 상부클래드층 상에 형성되는 수신부 제1전극; 상기 수신부 반도체 기판 아래에 형성되는 수신부 하부 무반사층; 상기 수신부 하부 무반사층을 일부 제거하고 상기 수신부 반도체 기판 아래에 형성되는 수신부 제2전극; 을 포함하는 수신부와,
    상기 송신부를 하부에 두고 수신부를 상부에 두어 상기 수신부 제2전극과 상기의 접합 전극을 접합하는 접합 범프; 를 포함하여 이루어지며,
    상기 수신부는 송신 파장보다 높은 에너지 갭으로 구성되고; 상기 송신부의 빔이 방출하는 영역과 수신부의 빔을 수광하는 영역이 같은 축 상에 위치하여 한 번의 정렬로 송신 및 수신의 양방향 신호의 정렬을 하는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 상부클래드층 상에 형성된 수신부 상부 무반사층은 수신 파장과 송신 파장에 대하여 반사를 방지하는 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 수신부 반도체 기판 아래에 형성된 수신부 하부 무반사층은 송신 파장에 대하여 반사를 방지하는 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 수신부 반도체 기판과 활성층 및 상부클래드층은 송신 파장에서 반사를 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 수신부 제2전극과 송신부 접합 전극은 접합 범프에 의해 접합시 송신부의 빔 방출 영역과 수신부의 광 흡수 영역이 동일한 축으로 자동으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 양방향 송수신 소자.
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WO2020160973A1 (de) * 2019-02-08 2020-08-13 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronische sensoranordnung und optisches messverfahren

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